Как и защо да четете таблици с данни, ако микроконтролерите са ви хоби

Микроелектрониката е модерно хоби през последните години благодарение на магическия Arduino. Но тук е проблемът: с достатъчен интерес можете бързо да надраснете DigitalWrite(), но какво да правите след това не е съвсем ясно. Разработчиците на Arduino са положили много усилия за намаляване на бариерата за навлизане в тяхната екосистема, но извън нея все още има тъмна гора от сурови схеми, които са недостъпни за аматьорите.

Например, таблици с данни. Изглежда, че имат всичко, вземете го и го използвайте. Но техните автори очевидно не си поставят задачата да популяризират микроконтролерите; Понякога изглеждаче умишлено злоупотребяват с неразбираеми термини и съкращения, когато описват елементарни неща, за да объркат максимално непосветените. Но не всичко е толкова лошо, ако желаете, ковчегът се отваря.

В тази статия ще споделя опита на специалист по хуманитарни науки, общуващ с таблици с данни за хоби цели. Текстът е предназначен за аматьори, израснали от панталоните на Arduino, предполага известно разбиране на принципите на работа на микроконтролерите.

Ще започна с традиционното

Мигащ светодиод на Arduino

И веднага кодът:

void setup() {
DDRB |= (1<<5);
}

void loop() {
PINB = (1<<5);
for (volatile uint32_t k=0; k<100000; k++);
}

"Какво е това? – ще попита изтънченият читател. – Защо записвате нещо във входния регистър на PINB? Това е само за четене!“ Наистина ли, Документация за Arduino, подобно на повечето образователни статии в Интернет, посочва, че този регистър е само за четене. И аз така си мислех, докато не го препрочетох фиш към Atmega328p, подготвяйки тази статия. И там:

Това е сравнително нова функционалност, не беше на Atmega8, не всеки знае за нея или не се споменава поради причини за обратна съвместимост. Но е доста подходящ за демонстриране на идеята, че таблиците с данни си струва да се прочетат, за да се използват всички възможности на чипа, включително малко известни. И това не е единствената причина.

Защо иначе да четете таблици с данни?

Обикновено инженерите на Arduino, след като са играли достатъчно със светодиоди и AnalogWrites, започват да свързват всякакви модули и чипове към платката, за които вече има написани библиотеки. Рано или късно се появява библиотека, която не работи както трябва. Тогава аматьорът започва да го човърка, за да го оправи, и тогава...

И там се случва нещо напълно неразбираемо, така че трябва да отидете в Google, да прочетете много уроци, да извадите части от нечий подходящ код и най-накрая да постигнете целта си. Това дава силно усещане за постижение, но в действителност процесът е като преоткриване на колелото чрез обратно инженерство на мотоциклет. Освен това разбирането за това как работи този мотор не се увеличава. Знам, защото аз самият го правех доста дълго време.

Ако вместо тази вълнуваща дейност бях прекарал няколко дни в изучаване на документацията на Atmega328, щях да спестя огромно количество време. В крайна сметка това е доста прост микроконтролер.

По този начин трябва да прочетете таблиците с данни поне за да си представите как работи микроконтролерът като цяло и какво може да прави. И по-нататък:

• за проверка и оптимизиране на библиотеки на други хора. Те често са написани от същите аматьори, които преоткриват колелото; или, напротив, авторите умишлено ги правят прекалено дуракоустойчиви. Нека да е три пъти по-голям и по-бавен, но определено ще работи;

• да можете да използвате чипове в проект, за който никой не е написал библиотека;

• за да улесните за себе си мигрирането от една MK линия към друга;

• най-накрая да оптимизирате стария си код, който не пасва на Arduino;

• да се научите как да контролирате всеки чип директно чрез неговите регистри, без да се занимавате с изучаване на структурата на неговите библиотеки, ако има такива.

Защо да пишете директно в регистрите, когато има HAL и LL?

глосар
HAL, Слой с висока степен на абстракция – библиотека за управление на микроконтролер с високо ниво на абстракция. Ако трябва да използвате интерфейса SPI1, вие просто конфигурирате и активирате SPI1, без да мислите кои регистри за какво отговарят.
LL, API на ниско ниво – библиотека, съдържаща макроси или структури с адреси на регистъра, позволяващи достъп до тях по име. DDRx, PORTx, PINx на Atmega са LL.

Спорове по темата „HAL, LL или регистри“ редовно възникват в коментарите на Habré. Без да претендирам за достъп до астрално познание, просто ще споделя своя аматьорски опит и мисли.

След като повече или по-малко разбрах Atmega и прочетох статии за чудесата на STM32, купих половин дузина различни платки - Discovery и Blue Pills и дори само чипове за моите домашни продукти. Всички събираха прах в кутия в продължение на две години. Понякога си казвах: „това е, от този уикенд овладявам STM“, стартирах CubeMX, генерирах настройка за SPI, погледнах получената стена от текст, щедро подправена с STM авторски права, и реших, че това някак си е прекалено много.

Разбира се, можете да разберете какво е написал CubeMX тук. Но в същото време е ясно, че запомнянето на всички формулировки и след това написването им на ръка е нереалистично. И за отстраняване на грешки, ако случайно забравя да отметна квадратче в куба, това е напълно добре.

Две години минаха, аз още си облизвам устните ST MCU Finder за всякакви вкусни, но извън моето разбиране, чипс, и случайно попаднах прекрасна статия, макар и за STM8. И внезапно Разбрах, че през цялото това време съм чукал на отворена врата: регистрите на STM са подредени по същия начин като тези на всеки друг MK и Cube не е необходимо да работи с тях. Беше ли възможно дори?...

HAL и по-специално STM32CubeMX е инструмент за професионални инженери, които работят в тясно сътрудничество с STM32 чипове. Основната характеристика е високо ниво на абстракция, възможност за бързо мигриране от един MCU към друг и дори от едно ядро ​​към друго, като същевременно остава в рамките на линията STM32. Любителите рядко се сблъскват с подобни проблеми - изборът ни на микроконтролери по правило е ограничен до асортимента на AliExpress и често мигрираме между коренно различни чипове - преминаваме от Atmega към STM, от STM към ESP или каквото и да е ново нещо на нашите китайски приятели хвърли ни. HAL няма да помогне тук и изучаването му ще изяде много време.

ЛЛ остава - но от него до регистрите има половин крачка. Лично аз намирам писането на моите макроси с адреси на регистри за полезно: изучавам листа с данни по-внимателно, обмислям какво ще ми трябва в бъдеще и какво определено няма, структурирам програмите си по-добре и като цяло преодоляването помага за запаметяването .

Освен това има нюанс с популярния STM32F103 - има две несъвместими LL версии за него, едната официална от STM, втората от Leaf Labs, използвани в проекта STM32duino. Ако напишете библиотека с отворен код (а аз имах точно такава задача), трябва или да направите две версии, или да влезете директно в регистрите.

И накрая, елиминирането на LL, по мое мнение, опростява миграцията, особено ако я планирате от самото начало на проекта. Преувеличен пример: нека напишем Arduino blink в Atmel Studio без LL:

#include <stdint.h>

#define _REG(addr) (*(volatile uint8_t*)(addr))

#define DDR_B 0x24
#define OUT_B 0x25

int main(void)
{
    volatile uint32_t k;

    _REG(DDR_B) |= (1<<5);

    while(1)
    {
        _REG(OUT_B) |= (1<<5);
        for (k=0; k<50000; k++);
        _REG(OUT_B) &= ~(1<<5);
        for (k=0; k<50000; k++);
    } 
}

За да може този код да мига светодиода на китайска платка със STM8 (от ST Visual Desktop), е достатъчно да смените два адреса в него:

#define DDR_B 0x5007
#define OUT_B 0x5005

Да, използвам функция за свързване на светодиода на конкретна платка, той ще мига много бавно, но ще се случи!

Какви видове листове с данни има?

В статии и във форуми, както на руски, така и на английски, „листове с данни“ означава всяка техническа документация за чипове и аз правя същото в този текст. Формално те са само един вид такава документация:

Техн – Работно-технически характеристики, тактико-технически характеристики. Задължително за всеки електронен компонент. Основната информация е полезно да се държи под ръка, но в нея няма какво да се чете замислено. Въпреки това, по-простите чипове често са ограничени до лист с данни, за да не създават ненужни документи; в такъв случай Справочно ръководство е включено тук.

Справочно ръководство – самите инструкции, здрава книга от 1000+ страници. Подробно е описана работата на всичко, което е натъпкано в чипа. Основният документ за овладяване на микроконтролера. За разлика от фиш, инструкциите са написани за широка гама MK, те съдържат много информация за периферни устройства, които не са налични във вашия конкретен модел.

Ръководство за програмиране или Ръководство за комплект инструкции – инструкции за уникални команди на микроконтролера. Предназначен за тези, които програмират на асемблерен език. Авторите на компилатора активно го използват за оптимизиране на кода, така че в общия случай няма да ни трябва. Но погледът тук е полезен за общо разбиране, за някои специфични команди като излизане от прекъсване, както и за активно използване на дебъгера.

Забележка за приложение – полезни съвети за решаване на конкретни проблеми, често с примерни кодове.

Лист с грешки – описание на случаи на нестандартно поведение на чип с опции за заобикаляне, ако има такива.

Какво има в листовете с данни

Директно към Техн може да се нуждаем от следните раздели:

Резюме на устройството – първата страница на листа с данни описва накратко устройството. Много полезно в ситуации, когато сте намерили чип някъде (видяли сте го в магазин, запоили сте го, попаднали сте на споменаване) и искате да разберете какво представлява.

Основно Описание – по-подробно описание на възможностите на чиповете от линията.

Pinouts – pinout диаграми за всички възможни пакети чипове (кой щифт на кой крак е).

Описание на щифта – описание на предназначението и възможностите на всеки щифт.

Карта с памет – едва ли ще се нуждаем от адресна карта в паметта, но понякога тя включва и таблица с адреси на регистърни блокове.

Регистрирайте карта – таблицата с адреси на регистрационни блокове, като правило, се намира в листа с данни и в Справка Ръководство – само смени (адресни компенсации).

Електрически характеристики – в този раздел се интересуваме преди всичко абсолютни максимални оценки, изброявайки максималните натоварвания на чип. За разлика от неразрушимия Atmega328p, повечето MK не ви позволяват да свържете сериозни товари към щифтовете, което се превръща в неприятна изненада за ардуинистите.

Информация за пакета – чертежи на налични случаи, полезни при проектирането на вашите табла.

Справочно ръководство структурно се състои от раздели, посветени на специфични периферни устройства, посочени в заглавието им. Всяка глава може да бъде разделена на три части:

Overview, Въведение, Характеристики: – преглед на периферните възможности;

Функционално описание, Ръководство за употреба или просто основния блок на раздела - подробно текстово описание на принципите на периферното устройство и как да го използвате;

регистри – описание на контролните регистри. В прости случаи като GPIO или SPI, това може да е напълно достатъчно, за да започнете да използвате периферните устройства, но често все още трябва да прочетете предишните части.

Как да четем таблици с данни

Листовете с данни, по навик, ви плашат с обема си и изобилието от неразбираеми думи. Всъщност всичко не е толкова страшно, ако знаете няколко лайфхака.

Определен добър PDF четец. Листовете с данни са написани в славната традиция на хартиените инструкции; те са страхотни за разпечатване, вмъкване с пластмасови отметки и зашиване. Хипертекстът в тях се наблюдава в следови количества. За щастие, поне структурата на документа е проектирана с отметки, така че подходящ четец с лесна навигация е много необходим.

Листът с данни не е учебник на Строуструп; той съдържа няма нужда да четеш всичко. Ако сте използвали предишния съвет, просто намерете желания раздел в лентата с отметки.

Листове с данни, особено Референтни ръководства, може да опише възможностите не на конкретен чип, а цялата линия. Това означава, че половината или дори две трети от информацията не е подходяща за вашия чип. Преди да изучавате регистрите на TIM7, чекирайте се Основно Описание, имаш ли го?

Да знам Английски достатъчно за начално ниво. Листовете с данни се състоят наполовина от термини, непознати за средния носител на езика, и наполовина от прости свързващи структури. Има и отлични китайски таблици с данни на китайски английски, където половината също са термини, а втората половина е произволен набор от думи.

Ако срещнете непозната дума, не се опитвайте да го превеждате с помощта на англо-руски речник. Ако сте объркани хистерезис, тогава преводът „хистерезис“ няма да ви затопли. Използвайте Google, Stack Overflow, Wikipedia, форуми, където ще бъде необходимата концепция обяснено с прости думи с примери.

Най-добрият начин да разберете какво четете е проверка в действие. Затова дръжте под ръка дъската за отстраняване на грешки, с която се запознавате, или още по-добре две, в случай че все още не сте разбрали нещо и сте видели магически дим.

Добър навик е да държите своя лист с данни под ръка, когато го правите четене на нечий урок или изучаване на чужда библиотека. Напълно възможно е в него да намерите по-оптимално решение на проблема си. И обратното - ако не можете да разберете от листа с данни как всъщност работи регистърът, потърсете го в Google: най-вероятно някой вече е описал всичко с прости думи или е оставил ясен код в GitHub.

глосар

Някои полезни думи и символи, които да ви помогнат бързо да свикнете с таблиците с данни. Това, което запомних през последните няколко дни, допълнения и корекции са добре дошли.

електричество
VDC, Вярно – „плюс“, храна
Vss, Vee – „минус“, земя
ток - текущ
волтаж - волтаж
да потъне ток – работа като „земя“ за външен товар
за източник на ток – мощност външен товар
висок щифт за мивка/източник – щифт с повишена „толерантност” към натоварване

IO
H, високо – на щифта Vcc
L, ниско – на щифта Vss
Висок импеданс, Здравей-Z, плаващ – няма нищо на щифта, „високо съпротивление“, той е практически невидим за външния свят.
слабо издърпване нагоре, слабо дърпане надолу – вграден pull-up/pull-down резистор, приблизително еквивалентен на 50 kOhm (вижте листа с данни). Използва се, например, за да се предотврати увисването на входния щифт във въздуха, причинявайки фалшиви аларми. Слаб - защото е лесно да го "прекъснете".
Натисни Дръпни – pin output mode, в който се превключва между Високо и ниско – редовен ИЗХОД от Arduino.
отворен дренаж – обозначение на изходния режим, в който може да бъде щифтът нискоИли Висок импеданс/плаващ. Освен това почти винаги това не е „истински“ отворен дрейн; има защитни диоди, резистори и какво ли още не. Това е просто обозначение за режим земя/без.
истински отворен дренаж - но това е истински отворен дренаж: щифтът води директно към земята, ако е отворен, или остава в неопределеност, ако е затворен. Това означава, че ако е необходимо, през него може да се прекара напрежение, по-голямо от Vcc, но максимумът все още е посочен в листа с данни в раздела Абсолютни максимални номинални стойности/напрежение.

интерфейси
в серия – свързани последователно
да верига – сглобяване на чипове във верига чрез серийна връзка, увеличаване на броя на изходите.
превключване – изместване, обикновено означава малко изместване. съответно да се сменя и да се измести – приемане и предаване на данни бит по бит.
резе – резе, което покрива буфера, докато битовете се преместват през него. Когато прехвърлянето приключи, вентилът се отваря и битовете започват да работят.
за записване – извършете прехвърляне бит по бит, преместете всички битове на правилните места.
двоен буфер, сенчест регистър, регистър за предварително зареждане – исторически обозначения, когато регистърът трябва да може да приема нови данни, но да ги задържа до определен момент. Например, за да работи ШИМ правилно, неговите параметри (работен цикъл, честота) не трябва да се променят, докато не приключи текущият цикъл, но вече могат да се прехвърлят нови параметри. Съответно сегашните се запазват на сенчест регистър, а нови попадат в регистър за предварително зареждане, като се записват в съответния регистър на чипа.

Всякакви неща
прескалер – честотен прескалер
да зададете малко – задайте бит на 1
за малко изчистване/нулиране – нулиране на бита на 0 (нулиране – STM функция за лист с данни)

Какво следва?

Като цяло тук беше планирана практическа част с демонстрация на три проекта на STM32 и STM8, направени специално за тази статия с помощта на таблици с данни, с електрически крушки, SPI, таймери, PWM и прекъсвания:

Но има много текст, така че проектите се изпращат във втората част.

Умението да четете таблици с данни ще ви помогне с вашето хоби, но е малко вероятно да замени общуването на живо с колеги любители във форуми и чатове. За тази цел все още трябва да подобрите английския си преди всичко. Следователно тези, които са приключили с четенето, ще получат специална награда: два безплатни урока в Skyeng с първото плащане с помощта на кода HABR2.

Източник: www.habr.com